شده و دستیابی به شرایط بهینه پایداری

Transcript

1 دوره 8 شماره بهار 95 صفحه 7 تا 0 Vol. 8, No., Spring 06, pp. 7-0 نشریه علمی پژوهشی امیرکبیر - مهندسی مکانیک AmirKabir Jounrnal of Science & Research Mechanical Engineering (ASJR-ME) بررسی تجربی پایداری نانوسیال اکسید مس بر پایه آب یونزدایی شده و دستیابی به شرایط بهینه پایداری مهدی کمالغریبی سید امیر حسین زمزمیان * فرامرز هرمزی - دانشجوی کارشناسی ارشد دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه سمنان - استادیار پژوهشکده انرژی پژوهشگاه مواد و انرژی کرج - دانشیار دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه سمنان چکیده )دریافت: 9//5 پذیرش: 9//( در این تحقیق پایداری نانوسیال اکسید مس با غلظت وزنی 0/ درصد بر پایه آب یونزدایی شده به طور تجربی مورد بررسی قرار گرفته است. آزمایش ها با هدف بررسی تأثیر عوامل سرعت دورانی و مدت زمان پخش نانوذرات در سیال پایه زمان موجدهی فراصوت نوع و غلظت مواد فعال سطحی و مقدار اسیدیته بر پایداری نانوسیال و دستیابی به یک شرایط بهینه پایداری طراحی شدهاند. نتایج از لحاظ آماری و با استفاده از روش تاگوچی در نرم افزار کوالیتک- تحلیل شدهاند. عالوه بر آن میزان پایداری نانوسیاالت به کمک بررسی تصاویر تهنشینی و همچنین روش پتانسیل زتا مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج نشان دادهاند که استفاده از ماده فعال سطحی سدیم دودسیل سولفات با غلظت وزنی 0/ درصد یک ساعت موجدهی فراصوت با استفاده از دستگاه موجدهی فراصوت میلهای و تنظیم مقدار اسیدیته برابر 0/7 بهترین شرایط را برای پخش نانوذرات اکسید مس در آب یونزدایی شده فراهم آوردهاند. در این شرایط نانوسیال ساخته شده برای مدت زمان حداقل 0 روز بدون مشاهده هیچ اثری از تهنشینی نانوذرات پایداری خود را حفظ نموده است. کلمات کلیدی: نانوسیال پایداری سرعت دورانی مواد فعال سطحی موجدهی فراصوت اسیدیته روش تاگوچی پتانسیل زتا * نویسنده مسئول و عهده دار مکاتبات: azamzamian@merc.ac.ir

2 بررسی تجربی پایداری نانوسیال اکسید مس بر پایه آب یونزدایی شده و دستیابی به شرایط بهینه پایداری - مقدمه نانوسیاالت سوسپانسیونی از نانوذرات جامد هستند که از مخلوط کردن نانوذرات در مایعات مختلفی مانند آب روغن- های حرارتی و یا اتیلن گلیکول ساخته میشوند و در عین پایداری بیشتر و افزایش کمتر افت فشار در مقایسه با سوسپانسیون های معمولی خواص انتقال حرارت بهتری دارند. چوی ][ در سال 995 برای نخستین بار ایده استفاده از نانوسیاالت در سیستم های انتقال حرارت را مطرح کرد. یکی از مهمترین موضوعات در بحث نانوسیاالت پایداری مخلوط ایجاد شده است زیرا از یک سو به دلیل اختالف دانسیته نانوذرات تمایل به تهنشینی دارند و از سوی دیگر به دلیل وجود نیروی جاذبه واندروالس بین ذرات تمایل ذرات برای به هم پیوستن و در نتیجه تشکیل توده ذرات نیز زیاد است. این پدیده ها هر یک به نوبه خود موجب عدم پایداری سوسپانسیون خواهند شد. این موضوع در طی سالیان اخیر به عنوان یکی از مهمترین موضوعات مورد بحث در زمینه نانوسیاالت مطرح شده است که خواص و کاربرد نانوسیاالت را تحت تأثیر قرار میدهد. به عنوان مثال پدیده تشکیل توده نانوذرات با ایجاد نواحی خالی از ذرات نانو در سیال پایه و در نتیجه با کاهش سطح موثر انتقال حرارت موجب کاهش خواص انتقال حرارتی نانوسیال میشود. بنابراین در این مسیر مطالعه و تحلیل عوامل موثر بر پایداری نانوسیاالت امری الزامی است. شکل روند پیشرفت انتشار مقاالتی که در طول یک دهه اخیر به بررسی تجربی پایداری نانوسیاالت پرداختهاند را نشان میدهد. این مقاالت در زمینه بررسی تجربی پایداری نانوسیاالت با هر دو عنوان کلیدی نانوسیال و پایداری در تاریخ 9/5/ و طبق تمامی منابع موجود در زمینه مهندسی شیمی در پایگاه اطالعات مقاالت علمی جستجو شده اند. لکششکشروند پیشرفت انتشار مقاالت در زمینه بررسی تجربی پایداری نانوسیاالت همانطور که مشاهده میشود میزان توجه به بررسی تجربی پایداری نانوسیاالت به نحو چشمگیری رو به افزایش است که این موضوع گویای اهمیت فراوان پایداری نانوسیاالت است. بیشتر محققان در تحقیقات خود از روش های موجدهی فراصوت افزودن مواد فعال سطحی و کنترل مقدار اسیدیته به منظور پایدارسازی پخش نانوذرات در سیال پایه استفاده کردهاند. مشخصات برخی از این تحقیقات که در آنها از نانوذرات اکسید مس استفاده شده است در جدول آورده شده است. یکی از عوامل مورد توجه در روش موجدهی فراصوت مدت زمان موجدهی است. در برخی از تحقیقات ]0[ موجدهی طوالنی مدت موجب ایجاد پدیدههایی مثل جدایش فازها و تشکیل الیه کف روی سطح سیال شده است. در برخی مطالعات نیز یک مدت زمان موجدهی بهینه گزارش شده است. قدیمی و میتسالر ][ در مطالعه خود بر روی تأثیر فرایند موجدهی فراصوت بر پیشرفت پایداری نانوسیال تیتانیوم از طریق ارزیابی میزان جذب نانوسیال مدت زمان سه ساعت را به عنوان زمان بهینه موجدهی فراصوت گزارش دادهاند. کول و دی ][ در مطالعه خود بر روی اثر موجدهی فراصوت طوالنی مدت بر رسانش حرارتی نانوسیال اکسید روی/ اتیلن گلیکول از طریق ارزیابی اندازه توده نانوذرات مدت زمان 60 ساعت را به عنوان زمان بهینه موجدهی فراصوت گزارش دادهاند. برخی محققان نیز عوامل دیگری رادر نظر گرفتهاند. امامی میبدی و همکارانش ][ در مطالعه خود بر روی پایداری و رسانش حرارتی نانوسیال نانولوله کربنی/آب مدت زمان موجدهی را مقداری مشخص و ثابت در نظر گرفتند و تأثیر توان امواج فراصوت را بر پایداری مورد سنجش قرار دادند. تاجیک و همکارانش ][ در مطالعه خواص موجدهی فراصوت بر سوسپانسیون های نانوذرات تیتانیا و آلومینا در آب اثر کیفیت امواج را بر روی پایداری نانوسیال بررسی کردند. آنها از دو نوع ضربان پیوسته و ناپیوسته استفاده کردند و به این نتیجه رسیدند که پالس ناپیوسته قادر به شکستن تمامی تودههای ذرات نیست و بعد از 8 ساعت ته نشینی رخ می دهد. تأثیر نوع دستگاه موجدهی فراصوت نیز در برخی تحقیقات مورد توجه قرار گرفته است. موندراگون و همکارانش ]5[ در مطالعه بر روی خواص فیزیکی و پایداری نانوسیال سیلیکا/آب از روش پخش با دستگاه موج دهی فراصوت میله ای بهره بردند. با وجود استفاده بیشتر از دستگاه موجدهی فراصوت حمامی نسبت به نوع میله ای آن در تحقیقات تجربی برخی محققان از هر دو نوع دستگاه در آزمایش هایشان بهره گرفتهاند. هوانگ و همکارانش ]6[ در آزمایش خود بر روی پایداری پخش نانوذرات کربن سیاه و نقره در آب از هر دو نوع سیستم استفاده کردند. با این وجود روش همگنسازی در فشار باال را به عنوان موثرترین روش پخش نانوذرات گزارش کردند. با وجود تعداد بسیار زیاد تحقیقات انجام گرفته در زمینه بررسی تأثیر غلظت مواد فعال سطحی بر پایداری نانوسیال ]7[ تأثیر نوع ماده فعال سطحی در مطالعات کمتری مورد توجه قرار گرفته است. وانگ و همکارانش ]8[ در مطالعه خود بر روی سنتز نانوذرات نقره از پلی وینیل پیرولیدن برای پایداری نانوسیال نقره/محلول آبی نقره استفاده کردند و به پایداری حداقل یک ماه دست یافتند. کاردیک و همکارانش ]9[ در مطالعه خود بر روی نانوسیال سدیم آلومینیوم/آب از سدیم دودسیل سولفات استفاده کردند و بیان کردند که جذب قوی تر این ماده پایداری بیشتری حاصل میکند. نشریه علمی پژوهشی امیرکبیر - مهندسی مکانیک دوره 8 شماره بهار 95 8

3 مهدی کمالغریبی سید امیر حسین زمزمیان فرامرز هرمزی لودججدجبرخی از پژوهش های تجربی انجام شده در زمینه پایداری نانوذرات اکسید مس غلظت نانوذره )درصد حجمی( سیال پایه ماده فعال سطحی مدت زمان موج دهی )ساعت( شرایط بهینه پایداری مدت زمان پایداری مرجع ساعت ][ آب یونزدایی شده - - ][ اتیلن گلیکول 9 ساعت موجدهی فراصوت -0-0/00-5 ][ آب چندین روز - -0 ]5[ آب چندین هفته ACT 0/-0 ]6[ اتیلن گلیکول یک ماه ph= PVP 0/0 موالر ]7[ ]8[ ]9[ آب آب/ اتیلن گلیکول آب CuO:Tiron=.5: 6 Tiron >0/06 بیان نشده است 60 ساعت ph= wt% CuO ph= wt% SDS - SDS 0-0/ ژوان ]0[ در مطالعه خود بر روی انتقال حرارت جابجایی نانوسیاالت برای تهیه سوسپانسیون ذرات مس در آب از نمک لورات برای افزایش پایداری استفاده کرد. او نشان داد با افزودن این نمک به آب حاوی 9 درصد وزنی اکسید مس و پس از موجدهی فراصوت سوسپانسیون بیش از 0 ساعت در حال سکون به طور پایدار باقی میماند. با وجود قابلیت باالی مواد فعال سطحی در پایدارسازی نانوسیاالت روش افزودن این مواد به نانوذرات در دماهای باال کاربردی نیست زیرا در این صورت احتمال پیوند بین ماده فعال سطحی و نانوذره وجود دارد. در این رابطه برخی محققان دمای باالی 60 درجه سانتیگراد را به عنوان دمای بحرانی گزارش دادهاند ][. در سال های اخیر تأثیر مقدار اسیدیته نانوسیال بر پایداری آن مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. لی و همکارانش ][ تغییرات اندازه توده نانوذرات را بر اساس تغییرات اسیدیته نانوسیال مشاهده کردند. آنها نتیجه گرفتند زمانی که مقدار اسیدیته نانوسیال برابر /7 بود اندازه تودههای ذرات تا میزان 8 درصد کاهش یافت و زمانی که این مقدار برابر 7/66 بود اندازه تودههای ذرات تا میزان 5 درصد افزایش یافت. سهولی ]8[ در مطالعه خواص حرارتی نانوذرات اکسید مس بر پایه ترکیب آب/اتیلن گلیکول مقدار بهینه اسیدیته را به منظور پایدارسازی نانوسیال برابر 7/8 گزارش کرد. در این تحقیق برای نخستین بار با استفاده از روش تاگوچی و اجرای نرم افزار کوالیتک- تأثیر عوامل سرعت دورانی و مدت زمان پخش نانوذرات در سیال پایه مدت زمان موجدهی فراصوت و غلظت مواد فعال سطحی بر روی پایداری نانوسیال مورد بررسی قرار گرفته است. این روش قادر است با اطمینان باالیی تعداد آزمایش ها زمان انجام هزینه اجرا و احتمال خطا در رسیدن به پاسخ مطلوب را تا چندین برابر کاهش دهد و حتی پاسخ سیستم را در شرایط بهینه و بدون انجام آزمایش پیشگویی مینماید ][. این روند بررسی با در نظر گرفتن اثر تداخل عوامل میزان تأثیر هر عامل را بر پایداری و مقدار بهینه هر عامل را مشخص میکند که در مطالعات قبلی مشاهده نشده است. ضمن آن که در مطالعاتی که از همزن مغناطیسی به عنوان ابزار پراکندهسازی نانوذرات در سیال پایه استفاده شده است عوامل سرعت دورانی پخش نانوذرات و مدت زمان پخش نانوذرات در سیال پایه مورد توجه الزم قرار نگرفتهاند. ارتفاع تهنشینی نانوذرات از طریق عکسبرداری دقیق از نانوسیاالت انجام شده است. مزیت این روند بررسی آن است که رفتار پایداری نانوسیال در هر لحظه قابل مشاهده و تحلیل است. عالوه بر این مقایسه عملکرد دو ماده فعال سطحی سدیم دودسیل سولفات و پلی وینیل پیرولیدن تاکنون تنها در مطالعه کیم و همکارانش ][ بر روی مشخصات حرارتی و ویسکوزیته نانولولههای کربنی چند دیواره مشاهده شده است. - تعاریف و مفاهیم موارد زیر توضیح مختصری از تعاریف و مفاهیم به کار رفته در این تحقیق هستند: پایداری نانوسیال: عدم تشکیل توده نانوذرات و یا عدم تهنشینی نانوذرات با سرعت قابل توجه در یک نانوسیال. نیروی دافعه الکترواستاتیک: نیروی دافعه بین دو نانوذره با بار مشابه در یک نانوسیال. این نیرو نقش بسیار مهمی در پایداری نانوسیال ایفا میکند. نیروی دافعه فضایی : نیروی دافعه بین نانوذرات زمانی که نانوذرات در یک شبکه پلیمری پوشش داده شدهاند. Interaction factors effect Steric repulsion force نشریه علمی پژوهشی امیرکبیر - مهندسی مکانیک دوره 8 شماره بهار 95 9

4 بررسی تجربی پایداری نانوسیال اکسید مس بر پایه آب یونزدایی شده و دستیابی به شرایط بهینه پایداری نیروی جاذبه واندروالس: نیروی بین مولکول های منفرد در هر نانوذره به عبارت دیگر نیروی بین هر مولکول از ذره اول با هر یک از مولکول های ذره دوم. این نیرو عامل اصلی به هم پیوستن نانوذرات و در نتیجه ناپایداری نانوسیال است. الیه مضاعف الکتریکی : الیه تشکیل شده در سطح مشترک یک نانوذره جامد و مایعی که در تماس با نانوذره است. این الیه خود شامل دو زیرالیه است الیه داخلی شامل یون هایی با بار مشابه که بر روی سطح نانوذره جذب شدهاند و الیه خارجی شامل یون های متحرک با بار مخالف که در سیال اطراف نانوذره پخش شدهاند. پتانسیل زتا: اختالف پتانسیل بین محیط پخش و الیه ساکن سیال متصل به نانوذره. رابطه بین پتانسیل زتا و پایداری نانوسیال از دافعه متقابل بین نانوذرات با بار یکسان ناشی میشود. اگر پتانسیل زتای سطح نانوذره مقدار مطلق باالیی داشته باشد نیروی دافعه الکترواستاتیک بین نانوذرات و به موجب آن پایداری نانوسیال افزایش می یابد. نقطه ایزوالکتریک : 5 مقدار اسیدیته نانوسیال در حالتی که نانوذره بار الکتریکی سطحی خالصی نداشته باشد. در این حالت پتانسیل زتای سطح نانوذره صفر بوده و در نتیجه نانوسیال در ناپایدارترین وضعیت خود قرار دارد. - آزمایش ها -- مواد 6 در این تحقیق از ذرات اکسید مس به عنوان نانوذره از آب یونزدایی شده به عنوان سیال پایه و از سدیم دودسیل سولفات و پلی وینیل پیرولیدن به عنوان مواد فعال سطحی در تهیه نانوسیاالت استفاده شده است. خواص فیزیکی و ترموفیزیکی نانوذره در جدول آورده شده است. مشخصات مواد فعال سطحی نیز در جدول آورده شده است. اندازه ذرات به کمک میکروسکوپ الکترونی عبوری و مشخصات ساختاری ذرات به کمک بررسی طیفسنجی پراش اشعه ایکس )XRD( تعیین شدهاند. نتیجه لودججدجمشخصات فیزیکی و ترموفیزیکی نانوذرات اکسید مس خواص شکل ظاهری اندازه )نانومتر( خلوص )درصد( توضیحات پودر سیاه رنگ تقریبا کروی 0 99 مساحت سطح ویژه ( )g/m وزن مولکولی )g/mol( 0 79/55 دانسیته ( )g/cm ضریب رسانش حرارتی )W/m.k( ماده فعال سطحی سدیم دودسیل سولفات پلی وینیل پیرولیدن 6/ 75 لودججدجمشخصات مواد فعال سطحی فرمول مولکولی وزن مولکولی )g/mol( دانسیته )g/cm ( /0 /0 88/7 /5 NaC H 5 SO n(c 6 H 9 NO) مربوط به این دو بررسی در شکل نشان داده شده است. دلیل انتخاب آب یونزدایی شده به عنوان سیال پایه آن است که آب معمولی دارای مقادیری یون های مثبت و منفی مانند آهن منگنز سولفات و کربنات است که روی سطح نانوذرات نشسته و تأثیر ماده فعال سطحی را کاهش میدهند. همچنین بار خالص روی سطح نانوذرات و به موجب آن پایداری نانوسیال را تغییر میدهند. به منظور کاهش خوردگی و همچنین پراکندگی بهتر نانوذرات در محیط های آبی معموال از غلظت های پایین نانوذرات استفاده میکنند. به همین دلیل در این تحقیق غلظت وزنی 0/ درصد از نانوذرات استفاده شده است. در نهایت دلیل استفاده از سدیم دودسیل سولفات و پلی وینیل پیرولیدن به ترتیب به عنوان مواد فعال سطحی آنیونی و غیر یونی آن است که این مواد به ترتیب با افزایش نیروی دافعه الکترواستاتیک و نیروی دافعه فضایی بین ذرات وضعیت پخش نانوذرات در سیال پایه را بهبود میبخشند و بدین ترتیب مقایسه نقش این دو نیرو در پایدارسازی نانوسیال ممکن خواهد بود. لکششکشتصاویر گرفته شده از نانوذرات به کمک میکروسکوپ الکترونی عبوری )چپ( و نمودار طیفسنجی پراش اشعه ایکس )راست( -- روش ها و ابزار در مرحله نخست این تحقیق هدف از اجرای آزمایش ها بررسی میزان و نحوه تأثیر هر یک از عوامل سرعت دورانی و مدت زمان پخش نانوذرات در سیال پایه غلظت مواد فعال سطحی و مدت زمان موجدهی فراصوت بر پایداری نانوسیال و دستیابی به مقادیر بهینه هر یک از این عوامل است. بر این اساس مطابق جدول چهار عامل سرعت پخش نانوذرات Electrical double layer or EDL 5 Isoelectric point or IEP 6 Deionized water نشریه علمی پژوهشی امیرکبیر - مهندسی مکانیک دوره 8 شماره بهار 95 0

5 مهدی کمالغریبی سید امیر حسین زمزمیان فرامرز هرمزی در سیال پایه )دور بر دقیقه( مدت زمان پخش نانوذرات در سیال پایه )دقیقه( غلظت ماده فعال سطحی )درصد وزنی( و مدت زمان موجدهی فراصوت )دقیقه( در چهار سطح در نظر گرفته شدند. سپس با استفاده از روش تاگوچی و با اجرای نرمافزار کوالیتک- ترتیب و نحوه آزمایش ها مشخص شدند. به منظور انحالل مواد فعال سحی در آب یونزدایی شده و پخش نانوذرات اکسید مس با غلظت 0/ درصد وزنی در سیال حاصل از روش اختالط با همزن مغناطیسی استفاده شد و در ادامه نانوسیاالت ساخته شده درون یک دستگاه موجدهی فراصوت میله ای با بسامد موج کیلوهرتز دامنه موج 00 درصد و توان خروجی 00 وات در معرض موجدهی فراصوت قرار گرفتند. سپس ظروف محتوی نمونهها برای مدت زمان یک هفته در حالت ساکن و در مکانی با دمای ثابت اتاق و دور از نور مستقیم خورشید نگاهداری شدند. پس از آن مقدار ارتفاع تهنشین شده نانوذرات در هر نمونه به وسیله یک دوربین عکسبرداری با وضوح تصویر بسیار باال اندازهگیری شد. پس از اجرای آزمایش ها و دستیابی به مقادیر بهینه هر یک از عوامل ذکر شده نانوسیال دارای شرایط بهینه پایداری شناسایی شد. در مرحله دوم تحقیق تأثیر عامل اسیدیته بر پایداری نانوسیال مورد سنجش قرار داده شد. بر این اساس مقدار اسیدیته نانوسیالی که شرایط بهینه پایداری آن در مرحله نخست شناسایی شده بود با استفاده از محلول های سدیم هیدروکسید با غلظت 0/ نرمال و هیدروکلریک اسید با غلظت موالر در گستره تا تغییر داده شد. مقدار اسیدیته نمونهها به وسیله یک اسیدیتهسنج دقیق دیجیتالی که به کمک سه محلول بافر لودججدجعوامل و سطوح مربوطه در طراحی آزمایش ها عوامل )A( سرعت پخش نانوذرات در سیال پایه )دور بر دقیقه( )B( مدت زمان پخش نانوذرات در سیال پایه )دقیقه( )C( غلظت ماده فعال سطحی )درصد وزنی( )D( مدت زمان موجدهی فراصوت )دقیقه( سطح با مقادیر اسیدیته 7 و 0 استانداردسازی شده بود اندازهگیری شدند. در ادامه مقدار پتانسیل زتای سطح نانوذره برای هر نمونه به وسیله یک دستگاه زتاسایزر در شرایط دمای درجه سانتیگراد فشار اتمسفر و رطوبت 8 درصد اندازهگیری شد. در نهایت با بررسی تأثیر مقدار اسیدیته بر پتانسیل زتای سطح نانوذره برای هر نمونه مقدار بهینه اسیدیته نیز حاصل شد. - نتایج و تحلیل آزمایش ها سطح /5 0 سطح / 90 سطح / / تعیین مقدار بهینه عوامل مطابق با عوامل و سطوح مربوطه )جدول ( و با استفاده از روش تاگوچی یک آرایش متعامد 6-L برای طراحی آزمایشها به کار برده شد که تعداد آزمایش لکششکشنمودار اثر متوسط عوامل )( سرعت دورانی پخش نانوذرات در سیال پایه )( مدت زمان پخش نانوذرات در سیال پایه )( غلظت وزنی ماده فعال سطحی )( مدت زمان موج دهی فراصوت در آزمایش های گروه الف نشریه علمی پژوهشی امیرکبیر - مهندسی مکانیک دوره 8 شماره بهار 95

6 پایداری بهینه شرایط به دستیابی و شده یونزدایی آب پایه بر مس اکسید نانوسیال پایداری تجربی بررسی تاگوچی روش 6-L آرایش از استفاده با ها آزمایش طراحی لودججدجنحوه )D( عامل سطوح )C( عامل سطوح )B( عامل سطوح )A( عامل سطوح ها آزمایش آزمایش آزمایش آزمایش آزمایش 5 آزمایش 6 آزمایش 7 آزمایش 8 آزمایش 9 آزمایش 0 آزمایش آزمایش آزمایش آزمایش آزمایش 5 آزمایش 6 آزمایش است. شده داده نشان 5 جدول در آرایش این داد. کاهش 6 به 096 از را ها سطح در عوامل تمامی نخست آزمایش در میشود مشاهده که همانطور آزمایش در مثال عنوان به که حالی در میشوند گرفته نظر در خود اول در خود دوم سطح در عوامل سایر و خود اول سطح در )A( عامل دوم اند. شده گرفته نظر سدیم سطحی فعال ماده شامل نانوسیاالت برای آزمایش 6 این فعال ماده شامل نانوسیاالت برای و الف گروه عنوان با سولفات دودسیل انجام جداگانه طور به ب گروه عنوان با پیرولیدن وینیل پلی سطحی پس نانوسیال در نانوذرات شده تهنشین ارتفاع مقدار طراحی این در شد. شده گرفته نظر در آزمایش هر پاسخ عنوان به هفته یک زمان مدت از به نانوسیال در نانوذرات تهنشینی ارتفاع مقدارکمتر که است بدیهی است. است. نانوسیال آن بیشتر پایداری معنای با و تاگوچی روش از استفاده با نتایج ها پاسخ شدن مشخص از پس در گرفتند. قرار بررسی مورد آماری لحاظ از کوالیتک- افزار نرم اجرای متوسط اثر محاسبه روش از بهینه شرایط به دستیابی برای روش این متوسط اثر محاسبه به مربوط نتایج 6 جدول است. شده استفاده 7 عوامل نشان ب و الف گروه های آزمایش برای را مربوطه سطوح در عوامل آزمایش در عوامل متوسط اثر نمودار رسم طریق از ترتیب این به میدهد. و های شکل در ترتیب به که ب و الف گروههای به مربوط های است. آمده دست به عامل هر بهینه مقدار است شده داده نشان مربوطه سطوح در عوامل متوسط لودججدجاثر سطح ب گروه سطح سطح سطح سطح الف گروه سطح سطح سطح عوامل /95 /0 /0 /50 /5 /5 /60 /5 دقیقه( بر )دور پایه سیال در نانوذره دورانی پخش سرعت /65 /75 /0 /5 /60 /85 /80 /0 )دقیقه( پایه سیال در نانوذره پخش زمان مدت /50 /80 /85 /5 /85 /50 /70 /0 وزنی( )درصد سطحی فعال ماده غلظت /5 /85 /65 /0 /0 /0 /70 /5 )دقیقه( فراصوت موجدهی زمان مدت 7 Average factor effect 95 بهار شماره 8 دوره مکانیک مهندسی - امیرکبیر پژوهشی علمی نشریه

7 مهدی کمالغریبی سید امیر حسین زمزمیان فرامرز هرمزی از آن جا که در این تحقیق مقدار پایین تر ارتفاع تهنشینی نانوذرات در نانوسیال )پایداری بهتر( مد نظر است معیار»کمتر-بهتر «8 مشخصه کیفی 9 انتخاب شده در تحلیل آزمایشها بوده است. بر این اساس همانطور که در شکل مشاهده میشود زمانی که از سدیم دودسیل سولفات به عنوان ماده فعال سطحی استفاده شده است مقدار بهینه هر یک از عوامل سرعت دورانی پخش نانوذرات در سیال پایه مدت زمان پخش نانوذرات در سیال پایه غلظت ماده فعال سطحی و مدت زمان موجدهی فراصوت به ترتیب 700 دور بر دقیقه 90 دقیقه 0/ درصد وزنی و 60 دقیقه بوده است. به همین ترتیب مطابق شکل زمانی که از پلی وینیل پیرولیدن به عنوان ماده فعال سطحی استفاده شده است مقدار بهینه هر یک از عوامل نام برده شده به ترتیب 700 دور بر دقیقه 50 دقیقه 0/ درصد وزنی و 60 دقیقه بوده است. -- میزان و نحوه تأثیر عوامل علم به این موضوع که هر عامل به چه میزان بر پایداری نانوسیال اثرگذار است و این اثرگذاری به چه صورت انجام شده است بسیار مهم و قابل توجه است. برای این منظور روش تاگوچی از تحلیل واریانس 0 استفاده میکند. جداول 7 و 8 به ترتیب نتایج تحلیل واریانس عوامل مربوط به آزمایشهای گروه الف و ب را نشان میدهند. جدول 7 نشان میدهد زمانی که از سدیم دودسیل سولفات به عنوان عامل پایدارکننده نانوذرات استفاده شده است سهم هر یک از عوامل سرعت دورانی پخش نانوذرات در سیال پایه مدت زمان پخش نانوذرات در سیال پایه غلظت ماده فعال سطحی و مدت زمان موجدهی فراصوت بر پایداری نانوسیال به ترتیب در حدود 8 7 و درصد است. جدول 8 نشان میدهد زمانی که از پلی وینیل پیرولیدن به عنوان عامل پایدارکننده نانوذرات استفاده شده است سهم هر یک از عوامل نام برده شده به ترتیب در حدود 5 و درصد است. طبق اصول استاندارد ارئه شده توسط تاگوچی ]5[ در صورتی که مقدار خطای محاسبه شده در تحلیل واریانس کمتر از 5 درصد باشد نتایج تحلیل را میتوان معتبر دانست و در غیر این صورت آزمایش ها باید دوباره و با دقت بیشتری تکرار شوند. همانطور که در جداول 7 و 8 مشاهده میشود مقدار خطای محاسبه شده در تحلیل واریانس نتایج بسیار پایین بوده و در نتیجه نتایج حاصل شده قابل اطمینان هستند. روش تاگوچی در یک آزمایش با تعداد N عامل تعداد بر هم کنش یا تداخل را بین دو عامل در نظر میگیرد. بنابراین در این تحقیق با داشتن چهار عامل تعدا شش تداخل بین دو عامل در نظر گرفته شده است. میزان تأثیر هر تداخل در پاسخ آزمایش با شاخصی به نام شاخص شدت سنجیده میشود. شکل های 5 و 6 به ترتیب میزان تأثیر تداخل عوامل مورد نظر را در پاسخ آزمایش های گروههای الف و ب نشان میدهند. همانطور که مشاهده میشود میزان تداخل دو عامل سرعت دورانی پخش نانوذرات و مدت زمان پخش نانوذرات در سیال پایه بیشترین تأثیر را بر ارتفاع ته نشینی نانوذرات در نانوسیال داشته است. لکششکشنمودار اثر متوسط عوامل )( سرعت دورانی پخش نانوذرات در سیال پایه )( مدت زمان پخش نانوذرات در سیال پایه )( غلظت وزنی ماده فعال سطحی )( مدت زمان موج دهی فراصوت در آزمایش های گروه ب Severity index or SI 8 Smaller is better 9 Quality characteristic or QC 0 Analysis of variance or ANOVA نشریه علمی پژوهشی امیرکبیر - مهندسی مکانیک دوره 8 شماره بهار 95

8 بررسی تجربی پایداری نانوسیال اکسید مس بر پایه آب یونزدایی شده و دستیابی به شرایط بهینه پایداری لودججدجنتایج حاصل از تحلیل واریانس عوامل مربوط به آزمایش های گروه الف درصد تأثیر مجموع مربعات خالص واریانس مجموع مربعات عوامل /75 0/ 0/9 0/7 سرعت پخش نانوذره )دور بر دقیقه( 6/85 /7 0/90 /707 مدت زمان پخش نانوذره )دقیقه( 7/6 /78 0/99 /787 غلظت ماده فعال سطحی )درصد وزنی( 0/765 / /69 /07 مدت زمان موجدهی فراصوت )دقیقه( 0/7-0/00 0/006 خطا عوامل لودججدجنتایج حاصل از تحلیل واریانس عوامل مربوط به آزمایش های گروه ب سرعت پخش نانوذره )دور بر دقیقه( مدت زمان پخش نانوذره )دقیقه( غلظت ماده فعال سطحی )درصد وزنی( مدت زمان موجدهی فراصوت )دقیقه( خطا مجموع مربعات واریانس مجموع مربعات خالص 0/6 0/09 0/67 درصد تأثیر /898 /7 /60 /0 0/98 /679 /999 5/ - 0/895 /5 /775 0/00 /687 /007 5/7 0/007 شکل 7 تأثیر سرعت دورانی و مدت زمان پخش نانوذرات در سیال پایه را بر ارتفاع تهنشینی نانوذرات در نانوسیال آزمایش های گروه الف نشان میدهد. همانطور که مشاهده میشود با افزایش مدت زمان پخش نانوذرات در سیال پایه تا 90 دقیقه پایداری افزایش یافته است اما پخش نانوذرات در مدت زمان طوالنی تر موجب افزایش تهنشینی نانوذرات در نانوسیال و در نتیجه موجب کاهش پایداری نانوسیال شده است. لکششکشمیزان تأثیر تداخل در آزمایش های گروه الف لکششکشاثر سرعت دورانی و مدت زمان پخش نانوذرات در سیال پایه )گروه الف( لکششکشمیزان تأثیر تداخل در آزمایش های گروه ب این نتیجه را به این صورت می توان توجیه کرد که در طول اجرای آزمایش ها زمانی که 90 دقیقه از پخش نانوذرات در سیال پایه سپری شد الیه نازکی از کف روی سطح نانوسیال تشکیل شد. حضور این الیه که آن را میتوان به انحالل سدیم دودسیل سولفات در آب یونزدایی شده نسبت داد مسیر حرکت چرخشی و منظم نانوذرات در حال پخش و نشریه علمی پژوهشی امیرکبیر - مهندسی مکانیک دوره 8 شماره بهار 95

9 هرمزی فرامرز زمزمیان حسین امیر سید کمالغریبی مهدی ات موجدهی زمان مدت افزایش با میشود مشاهده که همانطور میدهد. در موجدهی اما است یافته کاهش نانوذرات تهنشینی ارتفاع دقیقه 60 شکل است. داده افزایش را نانوذرات تهنشینی ارتفاع بیشتر زمانهای مدت میدهد. نشان ب گروه های آزمایش مورد در را مشابهی نتیجه نیز )0( نانوسیاالت که زمانی که کرد توجیه میتوان صورت این به را نتایج این معرض در سیال نقاط تمام میگیرند قرار فراصوت موجدهی معرض در در باالیی شتاب چنین در میگیرند. قرار زیادی بسیار شتاب و نوسان چندین طول در که میشود ایجاد» کاویتاسیون»حباب نقاط این نیز نهایت در و میرسد بحرانی قطر یک به و کرده رشد زمانی دوره»نقطه نام به خاصی موضعی شرایط فرایند این طی میشود. متالشی دما العاده فوق افزایش ضمن آن ی نتیجه در که میآید وجود به» داغ جریان این حرکت میشود. ایجاد مایع از سریعی و پرفشار میکروجریان به قوی بسیار برشی نیروی یک که است شده موجب نانوذرات بین از و شده وارد واندروالس( جاذبه )نیروی ذرات بین الکترواستاتیکی نیروهای نانوسیال پایداری و شده جدا هم از ذرات ترتیب این به کند. غلبه آن بر میمابد. افزایش Cavitation bubble Hot spot است. شده هم به ذرات این برخورد موجب و داده تغییر را سطح به نزدیک بیشتر وزن دلیل به که است گرفته شکل ذرات از تودهای ترتیب این به پایداری کاهش موجب نتیجه در و شدهاند تهنشین ذرات سایر به نسبت افزایش الیه این ضخامت پخش زمان مدت افزایش با شدهاند. نانوسیال نانوسیال پایداری بیشتر افت موجب ذرات از بزرگتری توده و است یافته درصدی 6 افزایش برای مناسبی توجیه میتواند موضوع این شدهاند. سدیم از که زمانی پایداری بر نانوذره پخش زمان مدت تأثیر میزان باشد. است شده استفاده سطحی فعال ماده عنوان به سولفات دودسیل دورانی سرعت افزایش با که است آن 7 شکل در دیگر توجه قابل نکته پایداری ثابت پخش زمان مدت یک در پایه سیال در نانوذره پخش میتوان صورت این به را نتیجه این است. یافته افزایش نانوسیال در ذرات از کمی تعداد پایین دورانی های سرعت در که کرد توجیه که حالی در شدهاند. تهنشین ذرات باقی و شدهاند پراکنده پایه سیال در ذرات شرکتپذیری میزان نانوذرات پخش دورانی سرعت افزایش با از پایدارتری سوسپانسیون و یافته افزایش پایه سیال در پراکندگی فرایند است. شده تشکیل نانوذرات سیال در نانوذرات پخش زمان مدت و دورانی سرعت تأثیر 8 شکل ب گروه های آزمایش نانوسیال در نانوذرات تهنشینی ارتفاع بر را پایه پخش زمان مدت افزایش با میشود مشاهده که همانطور میدهد. نشان کاهش پیوسته طور به نانوذرات تهنشینی ارتفاع پایه سیال در نانوذرات وینیل پلی است. یافته افزایش نانوسیال پایداری نتیجه در و است یافته آن انحالل که است آب در حل قابل سطحی فعال ماده یک پیرولیدن نانوسیال سطح روی کف الیه وجود مانند مشکالتی شده یونزدایی آب در انحالل نانوذره پخش زمان مدت افزایش با بنابراین نمیکند. ایجاد در و یافته افزایش شده یونزدایی آب در پیرولیدن وینیل پلی پذیری مییابد. افزایش نیز نانوذرات پخش رفتار بهبود در ماده این تأثیر نتیجه است. توجیه قابل حالت این در نانوسیال پایداری افزایش بنابراین در نانوذرات پخش زمان مدت و دورانی سرعت لکششکشاثر ب( )گروه پایه سیال سطحی فعال مواد غلظت و فراصوت موجدهی زمان مدت تأثیر 9 شکل نشان الف گروه های آزمایش نانوسیال در نانوذرات تهنشینی ارتفاع بر را فعال ماده غلظت و فراصوت موجدهی زمان مدت لکششکشاثر الف( )گروه سطحی فعال ماده غلظت و فراصوت موجدهی زمان مدت لکشکشکشاثر ب( )گروه سطحی 5 95 بهار شماره 8 دوره مکانیک مهندسی - امیرکبیر پژوهشی علمی نشریه

10 بررسی تجربی پایداری نانوسیال اکسید مس بر پایه آب یونزدایی شده و دستیابی به شرایط بهینه پایداری زمانی که نانوسیال بیش از 60 دقیقه در معرض موجدهی فراصوت قرار گیرد دمای سوسپانسیون افزایش یافته و موجب شده است که ذرات کوچکتر نیز به واسطه ارتعاشات ناشی از امواج فراصوتی با همان سرعت میکروجریان گذرنده از بین ذرات شتاب گرفته و با هم برخورد کنند. به این ترتیب تودهای از ذرات شکل گرفته و موجب ناپایداری نانوسیال شدهاند. با افزایش مدت زمان موجدهی فراصوت توده بزرگتری از ذرات تشکیل شده و پایداری نانوسیال افت بیشتری داشته است. افزایش بیش از حد مدت زمان موجدهی فراصوت ممکن است به حدی دمای نانوسیال را افزایش دهد که منجر به تبخیر آن گردد. نکته قابل توجه دیگر در شکل 9 آن است که با افزایش غلظت ماده فعال سطحی سدیم دودسیل سولفات تا مقدار 0/ درصد وزنی ارتفاع تهنشینی نانوذرات در نانوسیال کاهش یافته است اما با افزودن مقدار بیشتری از این ماده به سیال پایه ارتفاع تهنشینی نانوذرات افزایش یافته است. در توجیه این نتیجه میتوان از مفهوم پتانسیل زتا استفاده کرد. نانوذرات اکسید مس در یک محیط آبی خنثی حامل بار مثبت است. زمانی که سدیم دودسیل سولفات با غلظت 0/05 درصد وزنی در نانوسیال حضور داشته است کاتیون های سدیم این ماده به سمت سیال پایه جهتگیری کردهاند و آنیون های سولفات آن در اثر یونش از ماده جدا شده و روی سطح نانوذرات که بار مخالف دارند جذب شدهاند. بنابراین سطح نانوذرات نیز بار منفی گرفتهاند. اما مولکول های کافی سدیم دودسیل سولفات برای ایجاد پوشش کامل پایدارکنندگی روی سطح نانوذرات وجود نداشته است. با افزایش غلظت سدیم دودسیل سولفات تا مقدار 0/ درصد وزنی مولکول های ماده فعال سطحی پوششدهی بهتری از سطح نانوذرات داشتهاند. گروه آنیونی به درون الیه داخلی کشیده شده است و به واسطه تقویت بار منفی موجود روی سطح نانوذرات منجر به افزایش ضخامت الیه مضاعف الکتریکی شده است. در نتیجه مقدار مطلق پتانسیل زتای سطح ذرات و به موجب آن پایداری نانوسیال افزایش یافته است. با افزایش غلظت سدیم دودسیل سولفات غلظت کاتیون های سدیم در الیه پخش افزایش یافته و منجر به ورود گروه کاتیونی به الیه داخلی شده است. به این ترتیب بار منفی خالص سطح نانوذرات کاهش یافته است. در نتیجه مقدار مطلق پتانسیل زتای سطح نانوذرات و به موجب آن پایداری نانوسیال نیز کاهش یافته است. با توجه به شکل 0 با افزایش غلظت ماده فعال سطحی پلی وینیل پیرولیدن تا مقدار 0/ درصد وزنی ارتفاع تهنشینی نانوذرات در نانوسیال کاهش یافته است اما با افزودن مقدار بیشتری از این ماده به سیال پایه )0/5 درصد وزنی( ارتفاع تهنشینی نانوذرات افزایش یافته است )در حدود سانتیمتر(. به منظور توجیه این نتیجه باید به این موضوع توجه داشت که پلی وینیل پیرولیدن یک ماده فعال سطحی غیر یونی است و بنابراین قابلیت یونش در سیال پایه را ندارد اما گروه آبدوست آن شامل اتم اکسیژن است که میتواند با آب پیوند هیدروژنی تشکیل دهد. به این ترتیب خاصیت پلیمری این ماده موجب میشود که روی سطح نانوذرات جذب شده و با ایجاد نیروی فضایی اضافی بین ذرات پایداری نانوسیال را افزایش دهد. با حضور غلظت های 0/05 و 0/ درصد وزنی پلی وینیل پیرولیدن در نانوسیال مولکول های این ماده توانایی پوشش کامل سطح نانوذرات را نداشتهاند. عالوه بر آن زنجیره جانبی این ماده فعال سطحی روی یک ذره میتواند به ذره دیگر بپیوندد و منجر به تشکیل توده ذرات شود و به موجب آن ارتفاع تهنشینی ذرات را افزایش دهد. با افزایش غلظت پلی وینیل پیرولیدن تا مقدار 0/ درصد وزنی سطح نانوذرات به میزان قابل توجهی تحت پوشش مولکول های این ماده قرار گرفتهاند و به این ترتیب با افزایش ضخامت الیه مضاعف الکتریکی بار خالص سطح ذرات و به موجب آن پتانسیل زتای سطح ذرات افزایش یافته است. در نتیجه ارتفاع تهنشینی نانوذرات کاهش یافته است. با افزایش غلظت پلی وینیل پیرولیدن تا مقدار 0/5 درصد وزنی تعداد مولکول های جذب شده ی این ماده روی سطح نانوذرات بیش از حد الزم بوده است. در این وضعیت ممکن است بخش هایی از گروه آبگریز پلی وینیل پیرولیدن به درون سیال کشیده شده باشند و در نتیجه مولکول های بیش از حد آن به نوعی موجب ایجاد پل بین نانوذرات شدهاند و به این ترتیب با تشکیل تودهای از نانوذرات ارتفاع تهنشینی نانوذرات افزایش یافته و پایداری کاهش مییابد. -- تغییر اسیدیته و بررسی تأثیر آن بر پایداری نانوسیال تغییر مقدار اسیدیته نانوسیال میتواند با جلوگیری از به همپیوستگی نانوذرات بستر بسیار مناسبی را برای پایدارسازی نانوسیال فراهم آورد. مقدار اسیدیته نانوسیال مهمترین عاملی است که روی پتانسیل زتای سطح نانوذرات تأثیر میگذارد زیرا گروههای عاملی که روی سطح ذرات حاضر هستند اغلب شامل اتم هایی هستند که میتوانند پروتون بگیرند یا بدهند. بنابراین میزان اسیدیته نانوسیال میتواند تأثیر زیادی روی بار سطح داشته باشد. در این مرحله مقدار اسیدیته نانوسیاالت دارای بهترین شرایط پایداری در آزمایش های گروه الف و ب در گستره تا تغییر داده شد و مقدار پتانسیل زتای سطح نانوذره برای هر نمونه با مقدار اسیدیته مشخص اندازهگیری شد. شکل )( نتایج این بررسی را نشان میدهد. در هر دو گروه با افزایش مقدار اسیدیته نانوسیال تا یک مقدار مشخص و کاهش خاصیت اسیدی نانوسیال مقدار پتانسیل زتای سطح نانوذرات افزایش یافته و پس از آن کاهش مییابد. این نتایج را به این صورت میتوان توجیه کرد که زمانی که از پلی وینیل پیرولیدن به عنوان ماده فعال سطحی استفاده شده است از آن جا که این ماده قابلیت یونش در سیال پایه را ندارد سطح نانوذره به دلیل ناکافی بودن یون های هیدروکسید در مقدار پایین اسیدیته )مقدار /( دارای بار اضافی مثبت است. بنابراین در ابتدا پتانسیل زتای سطح ذره مقدار مثبتی را داراست. افزایش مقدار اسیدیته و همچنین تشکیل پیوند هیدروژنی بین اکسیژن موجود در گروه کربونیل ماده فعال سطحی و هیدروژن موجود در آب شرایطی را ایجاد کرده است که در آن نشریه علمی پژوهشی امیرکبیر - مهندسی مکانیک دوره 8 شماره بهار 95 6

11 مهدی کمالغریبی سید امیر حسین زمزمیان فرامرز هرمزی لکشکشکشاثر مقدار اسیدیته بر پتانسیل زتای سطح نانوذرات اکسید مس با غلظت /0 درصد وزنی در نانوسیال بهینه یون های کافی هیدروکسید برای آن که به طور کامل در تعادل با یون های هیدروژن در سطح خارجی ذره باشند وجود دارد. این تعادل موجب شده است تا عمال بار خالصی روی سطح نانوذرات وجود نداشته باشد و این به معنای آن است که پتانسیل زتای سطح نانوذره در این حالت )نقطه ایزوالکتریک( صفر است )مقدار /(. با افزایش مقدار اسیدیته نانوسیال غلظت آنیون های هیدروکسید در نانوسیال بیشتر و بیشتر شده است و در نتیجه به دلیل ناکافی بودن کاتیون های هیدروژن بار منفی اضافی به وجود آمده است. به این ترتیب با تقویت بار منفی روی سطح نانوذره مقدار پتانسیل زتای سطح ذره نیز مقدار منفیتری گرفته است. اما در یک مقدار اسیدیته مشخص )مقدار 9/05( افزایش بیشتر اسیدیته موجب افزایش بیش از حد غلظت آنیونهای هیدروکسید شده است که منجر به تراکم الیه مضاعف الکتریکی میشود. به این ترتیب بار منفی خالص روی سطح نانوذره کاهش یافته و در نتیجه پتانسیل زتای سطح نانوذره نیز کاهش مییابد. زمانی که از سدیم دودسیل سولفات به عنوان ماده فعال سطحی استفاده شده است از یک سو نشستن آنیون های سولفات که گروه آبگریز ماده فعال سطحی هستند و از سوی دیگر تفکیک گروههای اسیدی روی سطح نانوذرات موجب شده است تا پتانسیل زتای سطح نانوذرات در ابتدا مقداری منفی داشته باشد. با افزایش هرچه بیشتر مقدار اسیدیته تا یک مقدار مشخص )مقدار 0/7( غلظت آنیون های هیدروکسید نیز به همان میزان افزایش مییابد و در نتیجه بار منفی خالص روی سطح نانوذرات و به موجب آن پتانسیل زتای سطح نانوذرات به اندازه قابل توجهی افزایش یافته است. افزایش بیشتر مقدار اسیدیته موجب افزایش بیش از حد غلظت آنیونهای هیدروکسید میشود. همانطور که پیشتر نیز به آن اشاره شد نتیجه نهایی این امر کاهش پتانسیل زتای سطح نانوذرات است. همانطور که در شکل مشاهده میشود منحنی های روند به منظور تحلیل رگرسیون ترسیم شدهاند. با مشخص شدن ضریب تعیین منحنی روند منحنی پلینومیال درجه بهترین منحنی برای برازش داده های تجربی هر دو گروه آزمایش بوده است. داده های تجربی این تحقیق نشان دادهاند که مقدار بهینه اسیدیته برای گروههای الف وب به ترتیب برابر 0/7 و 9/05 میباشد زیرا پتانسیل زتا در این مقادیر اسیدیته دارای بیشترین مقدار مطلق بوده است. در حالی که تحلیل رگرسیون مقدار بهینه اسیدیته را برای آزمایش های گروه الف و ب به ترتیب برابر 0/ و 9/ پیشبینی کرده است. نتایج نهایی مربوط به شرایط بهینه پایداری در جدول 9 آورده شده است. مطابق نتایج ارائه شده در جدول 9 مدت زمان پایداری هر یک از نانوسیاالت دارای شرایط بهینه پایداری مورد بررسی قرار گرفت. شکل های و نتایج مربوط به این بررسی را به ترتیب در مورد آزمایش های گروه الف و ب نشان میدهند. لکشکشکشتصاویر ته نشینی نانوذرات در نانوسیال دارای شرایط نهایی بهینه پایداری در گروه الف پس از مدت زمان )( 0 روز )( 0 روز و )( 50 روز. لودججدجنتایج نهایی شرایط بهینه پایداری برای نانوسیال اکسید مس با غلظت /0 درصد وزنی آزمایش سرعت پخش نانوذره )دور بر دقیقه( مدت زمان پخش نانوذره )دقیقه( غلظت ماده فعال سطحی )درصد وزنی( مدت زمان موجدهی فراصوت )دقیقه( اسیدیته 0/7 60 0/ 90 الف 700 9/ / 50 ب 700 نشریه علمی پژوهشی امیرکبیر - مهندسی مکانیک دوره 8 شماره بهار 95 7

12 بررسی تجربی پایداری نانوسیال اکسید مس بر پایه آب یونزدایی شده و دستیابی به شرایط بهینه پایداری لکشکشکشتصاویر ته نشینی نانوذرات در نانوسیال دارای شرایط نهایی بهینه پایداری در گروه ب پس از مدت زمان )( 0 روز )( 0 روز و )( 50 روز. همانطور که مشاهده میشود نانوسیال دارای شرایط بهینه پایداری در گروه الف برای مدت زمان حداقل 0 روز پایداری خود را حفظ کرده است. در حالی که مدت زمان پایداری نانوسیال گروه ب حداقل 0 روز بوده است. بنابراین ماده فعال سطحی سدیم دودسیل سولفات دارای توانایی باالتری در پایدارسازی نانوسیال اکسید مس با غلظت 0/ درصد وزنی و بر پایه آب یونزدایی شده بوده است. این نتیجه با توجه به شکل نیز قابل توجیه است زیرا در شرایط بهینه پایداری نانوسیال گروه الف مقدار پتانسیل زتای بیشتری نسبت به نانوسیال گروه ب داشته است. 5-5 نتیجه گیری با توجه به آزمایش های انجام شده در این تحقیق نتایج زیر قابل ارائه هستند: - آزمایش ها با هدف تعیین میزان و نحوه تأثیر عوامل سرعت دورانی پخش و مدت زمان پخش نانوذرات در سیال پایه غلظت مواد فعال سطحی و مدت زمان موجدهی فراصوت بر پایداری نانوسیال و همچنین تعیین مقدار بهینه این عوامل طراحی شدند. بر این اساس با در نظر گرفتن هر یک از این عوامل در چهار سطح یک آرایش متعامد 6-L برای طراحی آزمایش ها در قالب دو گروه الف و ب به کار برده شد. میزان ارتفاع ته نشینی نانوذرات در نانوسیال پس از مدت زمان یک هفته نیز به عنوان پاسخ آزمایش در نظر گرفته شد. - تحلیل آماری نتایج به کمک روش تاگوچی و با اجرای نرمافزار کوالیتک- انجام گرفت. در این رابطه برای تعیین مقدار بهینه عوامل از روش محاسبه اثر متوسط عوامل با در نظر گرفتن مشخصه کیفی کمتر-بهتر استفاده شد. نتایج نشان دادند که زمانی که از سدیم دودسیل سولفات به عنوان ماده فعال سطحی استفاده شده است مقدار بهینه هر یک از عوامل سرعت دورانی پخش نانوذرات مدت زمان پخش نانوذرات در سیال پایه غلظت ماده فعال سطحی و مدت زمان موجدهی فراصوت به ترتیب 700 دور بر دقیقه 90 دقیقه 0/ درصد وزنی و 60 دقیقه بوده است و زمانی که از پلی وینیل پیرولیدن به عنوان ماده فعال سطحی استفاده شده است مقدار بهینه هر یک از این عوامل به ترتیب 700 دور بر دقیقه 50 دقیقه 0/ درصد وزنی و 60 دقیقه بوده است. - برای تعیین میزان تأثیر عوامل بر پایداری نانوسیال از تحلیل واریانس استفاده شده است. نتایج نشان دادند زمانی که از سدیم دودسیل سولفات به عنوان ماده فعال سطحی استفاده شده است میزان تأثیر عوامل سرعت دورانی پخش و مدت زمان پخش نانوذرات در سیال پایه غلظت ماده فعال سطحی و مدت زمان موجدهی فراصوت بر پایداری نانوسیال به ترتیب 8 7 و درصد بوده است. در حالی که وقتی از پلی وینیل پیرولیدن به عنوان ماده فعال سطحی استفاده شده است میزان تأثیر این عوامل بر پایداری نانوسیال به ترتیب 5 و درصد بوده است. بر این اساس به نظر میرسد مدت زمان موجدهی فراصوت نقش بسیار مهمی در پایداری نانوسیال ایفا میکند اما سرعت دورانی پخش نانوذرات در سیال پایه نقش چندان قابل توجهی در پایداری نانوسیال ندارد. - با در اختیار داشتن چهار عامل تعداد 6 تداخل بین دو عامل در نظر گرفته شد. میزان تأثیر هر تداخل در پاسخ با شاخص شدت تعیین شد. تحلیل آماری نتایج نشان داد که میزان تداخل دو عامل سرعت دورانی و مدت زمان پخش نانوذرات در سیال پایه بیشترین تأثیر را بر ارتفاع تهنشینی نانوذرات در نانوسیال داشته است. 5- با افزایش سرعت دورانی پخش نانوذرات در سیال پایه ارتفاع تهنشینی نانوذرات کاهش یافته است اما این کاهش چشمگیر نبوده است. 6- زمانی که از سدیم دودسیل سولفات به عنوان ماده فعال سطحی استفاده شده است با افزایش مدت زمان پخش نانوذرات تا 90 دقیقه ارتفاع تهنشینی نانوذرات کاهش یافته است. اما مدت زمان طوالنی تر منجر به افزایش ارتفاع تهنشینی نانوذرات شده است. زمانی که از پلی وینیل پیرولیدن به عنوان ماده فعال سطحی استفاده شده است با افزایش مدت زمان پخش نانوذرات ارتفاع تهنشینی نانوذرات به طور پیوسته کاهش یافته است. 7- با افزایش غلظت ماده فعال سطحی سدیم دودسیل سولفات تا 0/ درصد وزنی ارتفاع تهنشینی نانوذرات کاهش مییابد. اما غلظت های باالتر ارتفاع تهنشینی نانوذرات را افزایش دادهاند. نتیجه مشابهی در مورد ماده فعال سطحی پلی وینیل پیرولیدن در غلظت 0/ درصد وزنی حاصل شده است. 8- با افزایش مدت زمان موجدهی فراصوت تا 60 دقیقه ارتفاع تهنشینی نانوذرات کاهش یافته است اما مدت زمان طوالنی تر منجر به افزایش ارتفاع تهنشینی نانوذرات شده است. 9- تأثیر مقدار اسیدیته به عنوان یک عامل حیاتی بر پایداری نانوسیال بررسی شده است. با مشخص شدن ضریب تعیین منحنی روند ترسیم شده در نمودار تأثیر مقدار اسیدیته بر پتانسیل زتای سطح نانوذرات منحنی پلینومیال درجه بهترین منحنی برای برازش دادههای تجربی مربوطه بوده است. 0- نتایج تحلیل رگرسیون نشان میدهند که زمانی که از سدیم نشریه علمی پژوهشی امیرکبیر - مهندسی مکانیک دوره 8 شماره بهار 95 8

13 مهدی کمالغریبی سید امیر حسین زمزمیان فرامرز هرمزی 7-7 مراجع [] Choi, S.U.S., Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles, In developments and applications of non-newtonian flows, ASME Fluids Engineering Division (FED), Vol. 66, pp. 99-0, 995. [] Das Sarit Kumar, P.N., Peter, T., Wilfried, R., Temperature dependence of thermal conductivity enhancement for nanofluids, Heat Transfer Journal, Vol. 5, pp. 8, 00. [] Kwak, K., Kim, C., Viscosity and thermal conductivity of copper oxide nanofluid dispersed in ethylene glycol, Korea-Australia Rheol Journal, Vol. 7, pp. 5-0, 005. [] Li, C.H., Peterson, G.P., Experimental investigation of temperature and volume fraction variations on the effective thermal conductivity of nanoparticle suspensions, Appl. Phys Journal, Vol. 99, 006. [5] Zhu, H.T., Zhang, C.Y., Tang, Y.M., Wang J.X., Novel synthesis and thermal conductivity of CuO nanofluid, Phys. Chem Journal, Vol., pp. 66, 007. [6] Sahooli, M., Sabbaghi, S., CuO nanofluids, The synthesis and investigation of stability and thermal conductivity, Journal of Nanofluids, Vol., pp , 0. [7] Rohini Priya, K., Suganthi, K.S., Rajan, K.S., Transport properties of ultra-low concentration CuO-water nanofluids containing non-spherical nanoparticles, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 55, pp. 7-7, 0. [8] Sahooli, M., Sabbaghi, S., Investigation of thermal properties of CuO nanoparticles on the ethylene glycol-water mixture, Materials Letters, Vol. 9, pp. 5-57, 0. [9] Naraki, M., Peyghambarzadeh, S.M., hashemabadi, S.H., Vermahmoudi, Y., Parametric study of overall heat transfer coefficient of CuO/water nanofluids in a car radiator, International Journal of Thermal Science, Vol. 66, pp. 8-90, 0. [0] Witharana, S., Palabiyik, I., Musina, Z., Ding, Y., Stability of glycol nanofluids, The theory and experiments, Powder Technology, Vol. 9, pp. 7-77, 0. [] Ghadimi, A., Metselaar, I.H, The influence of surfactant and ultrasonic processing on improvement of stability, thermal conductivity and viscosity of titania nanofluidˮ, Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 5, pp. - 9, 0. دودسیل سولفات به عنوان عامل پایدارکننده استفاده شده است نانوسیال در مقدار اسیدیته برابر 0/ دارای باالترین مقدار مطلق پتانسیل زتا بوده و در نتیجه بهترین وضعیت پایداری را داراست. در حالی که نتایج تجربی نشان دادند که این مقدار برابر 0/7 بوده است )5 درصد خطا(. همچنین زمانی که از پلی ویتیل پیرولیدن به عنوان عامل پایدارکننده استفاده شده است باالترین مقدار مطلق پتانسیل زتا و در نتیجه بهترین وضعیت پایداری در مقدار اسیدیته برابر 9/ حاصل میشود و این در حالی است که نتایج تجربی این مقدار را برابر 9/05 گزارش دادهاند ) درصد خطا(. عالوه بر این نانوسیال در این حالت در مقدار اسیدیته برابر / دارای پتانسیل زتای صفر بوده و در نتیجه در ناپایدارترین وضعیت خود قرار داشته است )نقطه ایزوالکتریک(. - با مقایسه مدت زمان پایداری نانوسیاالت دارای شرایط بهینه پایداری نهایی نانوسیال شامل 0/ درصد وزنی نانوذرات اکسید مس و 0/ درصد وزنی ماده فعال سطحی سدیم دودسیل سولفات که سرعت پخش نانوذرات و مدت زمان پخش نانوذرات در آن به ترتیب 700 دور بر دقیقه و 90 دقیقه بوده و به مدت یک ساعت در معرض موجدهی فراصوت قرار گرفته است بهترین نمونه از لحاظ پایداری بوده است که برای مدت زمان حداقل 0 روز شرایط پایداری خود را حفظ کرده است. برای بهرهگیری از عمده قابلیت های نانوسیال به ویژه خواص انتقال حرارتی آن بررسی پایداری نانوسیال در اولویت قرار دارد. در نتیجه نانوسیال با پایداری طوالنی مدت میتواند مورد توجه بسیاری از صنایع به ویژه صنایعی که به نوعی با مسأله انتقال حرارت روبرو هستند قرار گیرد. در این تحقیق با بررسی میزان تأثیر برخی عوامل موثر بر پایداری نانوسیال و تعیین مقدار بهینه این عوامل نانوسیال با پایداری حداقل 0 روز حاصل شد که نسبت به مطالعات پیشین در زمینه پایداری نانوسیاالت اکسید مس نتیجه قابل توجهی به شمار میآید. بنابراین در این راستا به محققان محترم پیشنهاد میشود که در بررسی پایداری هر نانوسیال میزان تأثیر عوامل مورد نظر بر پایداری اثر تداخل عوامل و مقدار بهینهی هر یک از عوامل را در نظر بگیرند. 6-6 تقدیر و تشکر نویسنده این مقاله وظیفه خود میداند که از تمامی مسئولین پژوهشگاه مواد و انرژی کرج که همکاری الزم را جهت اجرای تحقیق داشته اند صمیمانه تشکر نماید. فهرست عالئم غلظت ماده فعال سطحی )درصد وزنی( مدت زمان پخش نانوذرات در سیال پایه )دقیقه( مدت زمان موجدهی فراصوت )دقیقه( عالئم یونانی سرعت دورانی پخش نانوذرات در سیال پایه )دور بر دقیقه( C S T d T u ω نشریه علمی پژوهشی امیرکبیر - مهندسی مکانیک دوره 8 شماره بهار 95 9

14 بررسی تجربی پایداری نانوسیال اکسید مس بر پایه آب یونزدایی شده و دستیابی به شرایط بهینه پایداری silver nanoparticles with flake-like shapesˮ, Materials Letters, Vol. 59, pp , 005. [9] Karthik, V., Ghosh, S., Pabi, S.K., Effects of bulk stoichiometry and surface state of NiAl nano-dispersoid on the stability and heat transfer characteristics of water based nanofluidˮ, Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 8, pp. 56-6, 0. [0] Xuan, Y., Li, Q., Investigation on convection heat transfer and flow features of nanofluidsˮ, Heat Transfer Journal, Vol. 5, pp. 5, 005. [] Sato, M., Abe, Y., Urita, Y., Di Paola, R., Cecere, A., Savino, R., Thermal performance of selfrewetting fluid heat pipe containing dilute solutions of polymer-capped silver nanoparticles synthesized by microwave, In Proceedings of ITP, Polyol Process, 009. [] Lee, K., Hwang, Y.H., Cheong., S., Kwon, L., Kim, S., Lee, J., Performance evaluation of nanolubricants of fullerene nanoparticles in refrigeration mineral oil, Curr. Appl. Phys, Vol. 9, pp. 8-, 009. [] Montgomery, D.C., Design of experiments, New York, pp. 5-6, 995. [] Kim, N., Park, S., Lim. S., Chun, W., A study on characteristics of carbon nanofluids at the room temperature, International communication in Heat and Mass Transfer, Vol. 8, pp. - 8, 0. [5] Roy, R.K., A primer on the Taguchi method, Van Nostrand Reinhold, pp. - 7, 990. [] Cole, M., Dey, T.K, Effect of prolonged ultrasonication on the thermal conductivity of ZnO/ ethylene glycol nanofluidsˮ, thermochimica Acta, Vol. 55, pp , 0. [] Emami Meibodi, M., Vafaie-Sefti, M., Rashidi, A., Amrollahi, A., Tabasi, M., Sid Kalal, H., The role of different parameters on the stability and thermal conductivity of carbon nanotube-water nanofluids, International Communication in Heat and Mass Transfer, Vol. 7, pp. 9-, 00. [] Tajik, B., Abbassi, A., Saffar-Avval, M., Ahmadi Najafabadi, M., Ultrasonic properties of suspensions of TiO and Al O nanoparticles in waterˮ, Powder Technology, Vol. 7, pp. 7-76, 0. [5] Mondragon, R., Enrique Julia, J., Barba, A., Jarque., A., Characterization of silica-water nanofluids dispersed with an ultrasound probe, a study of their physical properties and stabilityˮ, Powder Technology, Vol., pp. 8-6, 0. [6] Hwang, Y., Lee, J., Jeong, Y., Cheong, S., Ahn, Y., Kim Soo, H., Production and dispersion stability of nanoparticles in nanofluidsˮ, Powder Technology, Vol. 86, pp. 5-5, 008. [7] Halelfadl, S., Estelle, P., Aladag, B., Doner, N., Mare, T., Viscosity of carbon nanotubes water based nanofluids, Influence of concentration and temperatureˮ, International Journal of Thermal Science, Vol. 7, pp. - 7, 0. [8] Wang, D., Song, C., Hu, Z., Zhou, X., Synthesis of نشریه علمی پژوهشی امیرکبیر - مهندسی مکانیک دوره 8 شماره بهار 95 0